Название: Неорганическая химия - Учебное пособие.(Шевницына Л.В., Белова Т.Б.)

Жанр: Химия

Просмотров: 1794


Сдвиг химического равновесия

 

Пример 1. Влияние изменения концентрации реагирующих веществ на смещение равновесия.

Реакция протекает по уравнению 4HCl+O2            2H2O+2HCl.

в каком направлении сместится химическое равновесие, если концентрацию всех реагирующих веществ увеличить в 2 раза?

Решение. Первоначальные скорости прямой и обратной реакций были следующие:

После увеличения концентраций скорость прямой реакции была:

т.е. возросла в 32 раза; а скорость обратной реакции:

т.е. возросла в 16 раз. Следовательно, равновесие сместится в сторону прямой реакции.

Пример 2. Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия.

В какую сторону сместится химическое равновесие реакции: АВ          А+В, если повысить температуру на 30 ˚С? Температурные коэффициенты прямой и обратной реакции соответственно равны 2 и 3.

Решение. При повышении температуры на 30 ˚С скорость прямой реакции возрастает в  раз, а скорость обратной реакции в раз.

Таким образом, равновесие этой реакции при повышении температуры смещается в сторону образования вещества АВ, так как скорость обратной реакции возрастает в 27 раз,  а прямой – в

8 раз.

Пример 3. Влияние изменения давления на смещение химического равновесия.

Равновесие реакции 2NO+O2=2NO2 установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): СNO=0,5; =0,7;

Как изменятся скорости прямой и обратной реакции, если в системе уменьшить общее давление в 2 раза? Произойдёт ли при этом смещение равновесия реакции?

Решение. До уменьшения давления в системе выражения для скоростей прямой и обратной реакций  будут соответственно:

При уменьшении давления в 2 раза концентрация всех реагирующих веществ уменьшается в 2 раза, так как общий объём системы увеличивается в 2 раза. Тогда

В результате уменьшения давления скорости прямой и обратной реакций уменьшились:

Таким образом, скорость обратной реакции будет в два раза больше, чем прямой. Смещение равновесия произойдёт справа налево, т.е. в сторону разложения NO2.

Пример 4. Вычисление равновесных концентраций реагирующих веществ после смещения равновесия.

Химическое равновесие реакции СО2 + Н2 = СО + Н2О установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л):

Равновесие системы было нарушено из-за уменьшения концентрации Н2О до 11 моль/л. Вычислите, какими стали новые равновесные концентрации реагирующих веществ после сдвига равновесия.

Решение. Из условия задачи видно, что при уменьшении концентрации Н2О равновесие системы сместилось в сторону прямой реакции. Смещение равновесия вызвало уменьшение концентраций СО2 и Н2 и увеличение концентраций СО и Н2О. Все вещества в данной реакции реагируют в одинаковом соотношении, поэтому изменение концентраций всех реагирующих веществ обозначим через х моль/л.

После смещения равновесия новые равновесные концентрации реагирующих веществ стали:

Константа равновесия данной реакции

Использовав значение Кс, получаем:

Первое значение х отбрасывается, так как уменьшение концентраций СО2 и Н2 не может быть больше, чем исходные концентрации этих веществ. Искомое значение х: ч = 0,44 моль/л.

После смещения равновесия новые равновесные концентрации реагирующих веществ стали следующими (моль/л):

Задачи

 

Рассчитайте, как изменится скорость прямой и обратной реакций в системе 2SO2 + O2           2SO3, если уменьшить занимаемый газами объём в 2 раза. Сместится ли при этом равновесие системы?

Равновесие системы 2NO + O2           2NO2 установилось при следующих концентрациях, участвующих в ней веществ:  Вычислите константу равновесия и исходные концентрации NO  и O2. (Ответ: К = 0,52; СNoисх = 0,09 моль/л; ССО2исх =

= 0,035 моль/л).

При 1000 ˚С  константа равновесия системы FeO+CO         Fe+CO2 равна 0,5. Вычислите равновесные концентрации СО

и СО2, если начальные концентрации ССО=0,05 моль/л,  (Ответ: ССО рав=0,04моль/л, )

Равновесие системы СО+Сl2         COCl2 установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: Определите константу равновесия и исходные концентрации углерода (II) оксида и хлора. (Ответ: К = 1000, )

Эндотермическая реакция разложения фосфора пента-хлорида протекает по уравнению:  PCl5(г) = PCl3(г) + Сl2(г); 

∆rH0 = + 92.59 кДж. Как надо изменить: а) температуру;

б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции разложения PCl5?

Исходные концентрации NO и Cl2 в гомогенной системе NO+Сl2           2NaCl составляют 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20 \% NO. (Ответ: 0,416.)

Константа равновесия гомогенной системы N2+3H2        2NH3 при температуре 400 ˚С равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и начальную концентрации азота. (Ответ: 8 моль/л, 8,04 моль/л.)

Во сколько раз увеличивается скорость химической реакции, протекающей в газовой фазе, если температуру повысить от 10 ˚С до 100 ˚С? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2. (Ответ: в 512 раз.)

Почему изменение давления смещает равновесие системы N2+3H2             2NH3 и не смещает равновесия N2+O2          2NO? Ответьте на основании расчёта скорости прямой и обратной реакции в этих системах до и после изменения давления.

Реакция идёт по уравнению Н2 + J2 = 2HJ. Константа скорости этой реакции при 509 ˚С равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ были:    . Вычислите начальную скорость реакции и её скорость при . (Ответ: 3,2·10-4; 1,92·10-4).

 

Растворы. Концентрации растворов

и способы их выражения

 

Пример 1. Массовая доля растворённого вещества.

Определите массовую долю (\%) хлорида калия в растворе, содержащем 0,053 кг КСl в 0,5 л раствора, плотность которого

1063 кг/м3.

Решение. Массовая доля ω показывает, сколько единиц массы растворённого вещества содержится в 100 единицах массы раствора. Массовая доля – безразмерная величина, её выражают в долях единицы или процентах:

где ω – массовая доля (\%) растворённого вещества; m1 – масса растворённого вещества, г; m – масса раствора, г.

Масса раствора равна произведению объёма раствора V на его плотность ρ

Массовая доля хлорида калия в растворе:

 

Пример 2. Молярная концентрация раствора.

Какова масса NaOH, содержащегося в 0,2 л раствора, если молярная концентрация раствора 0,2 моль/л?

Решение. Молярная концентрация эквивалентов (молярность) раствора показывает количество растворённого вещества, содержащегося в 1 л раствора.

Молярную концентрацию (моль/л) выражают формулой

,

где mв – масса растворённого вещества, г; Мв – молярная масса растворённого вещества, г/моль; Vр – объём раствора, л;. М(NaOH) = 40 г/моль. Масса NaOН, содержащегося в 0,2 л

раствора,

Пример 3. Молярная концентрация эквивалентов.

Определите молярную концентрацию эквивалентов хлорида железа (III), если в 0,3 л раствора содержится 32,44 г  FeCl3.

Решение. Молярная концентрация эквивалентов (нормальность раствора) показывает число молярных масс эквивалентов растворённого  вещества, содержащихся в 1 л раствора (моль/л):

где mВ – масса растворённого вещества, г; Мэк – молярная масса эквивалентов растворённого вещества, г/моль; Vр – объём

раствора, л.

Молярная масса эквивалентов

Молярная концентрация эквивалентов раствора FeCl3:

 

Пример 4. Молярность раствора.

В какой массе эфира надо растворить 3,04 г анилина С6Н5NH2, чтобы получить раствор, молярность которого 0,3 моль/кг.

Решение. Молярность раствора В (моль/кг) показывает количество растворённого вещества, находящегося в 1 кг

растворителя:

где ms – масса растворителя, кг; n(в) – количество растворённого вещества, моль. М(С6Н5NH2)=93,13 г/моль.

Масса растворителя (эфира) будет:

Тогда

 

Пример 5. Титр раствора (Т).

Определите титр 0,01н КОН.

Решение. Титр раствора показывает массу (г) растворённого вещества, содержащегося в 1 мл раствора. В 1 л 0,01н КОН содержится 0,561 г КОН. Титр этого раствора:

Т=0,561/1000=0,000561 г/мл.

Пример 6. Вычисления, связанные с пересчётом концентраций  растворов из единиц в другие.

Вычислите молярную концентрацию эквивалентов, молярную концентрацию и моляльность раствора, в котором массовая доля  CuSO4  равна 10 \%. Плотность раствора 1107 кг/м3.

Решение. Определим молярную массу и молярную массу эквивалентов CuSO4:

М(CuSO4)=159,61 г/моль;

Мэкв(CuSO4) = 159,61/2 = 79,8 г/моль.

В 100 г раствора ω(CuSO4) = 10 \% содержится 10,0 г CuSO4 и 90 г Н2О. Следовательно, моляльность раствора CuSO4 равна Сm(CuSO4) = 10/(159,61·0,09) = 0,696 моль/кг.

Молярная концентрация  и молярная концентрация эквивалентов относятся к 1 л раствора:

mp=ρVp=1107·10-3=1.107 кг.

В этой массе раствора содержится 1,107·0,–0,1107 кг CuSO4, что составляет 110,7/159,61 = 0,693 моль, или 0,693·2 = 1,386 экв.

Молярная концентрация и молярная концентрация эквивалентов данного раствора соответственно равны 0,693 и 1,386 моль/л.

Пример 7. Расчёты, связанные с приготовлением разбавленных растворов и концентрированных.

Какой объём азотной кислоты с массовой долей HNO3 30 \% (ρ=1180 кг/м3) требуется для приготовления 20 л 0,5 м раствора этой кислоты?

Решение. Сначала определяем массу азотной кислоты в

20 л 0,5м  раствора:

Чтобы ответить на вопрос задачи, надо определить, в каком объёме раствора с массовой долей HNO3 30 \% содержится 630,1 г HNO3:

Следовательно, чтобы приготовить 20 л 0,5 м HNO3, надо израсходовать всего 1,78 л раствора азотной кислоты с массовой долей HNO3, равной 30 \%.

Пример 8. Смешивание растворов разных концентраций и расчёты, связанные с этим.

Какую массу раствора с массовой долей КОН 20 \% надо прибавить к 250 г раствора с массовой долей КОН 90 \%, чтобы получить раствор ω(КОН)=50 \%?

Решение. Эта задача решается с помощью правила смещения. Массу раствора с массовой долей KOH 20 \% обозначим через X, тогда:

Для получения раствора с массовой долей КОН 50 \% необходимо к 250 г раствора КОН с ω = 90 \% прибавить 333,3 г раствора с ω = 20 \%. Задачи такого типа решают с помощью диагональной схемы или «правила креста»: точкой пересечения двух отрезков прямой обозначают свойства смеси. У концов обоих отрезков, расположенных по одну сторону от точки пересечения, обозначают свойства компонентов смеси, а у других концов отрезков – разности между свойством смеси и свойствами её компонентов. Диагональная схема этого примера имеет вид:

Массы исходных растворов, необходимых для приготовления смеси, обратно пропорциональны разностям между концентрациями заданного и менее концентрированного растворов и более концентрированного и заданного растворов:

Пример 9. Вычисления с использованием молярной концентрации эквивалентов.

Определите концентрацию раствора  КОН, если на нейтрализацию 0,035 л 0,3н Н3РО4 израсходовано 0,02 л раствора КОН.

Решение. Из закона эквивалентов следует, что количество веществ эквивалентов всех участвующих в химической реакции одинаково. В реакции участвует 0,035·0,3=0,0105 эквивалентов фосфорной кислоты. Для нейтрализации Н3РО4 потребуется такое же количество вещества эквивалентов КОН, т.е.

V(Н3РО4)Cэк(Н3РО4) = V(KOH)Cэк(KOH).

Отсюда